硬齒面齒輪膠合失效載荷級與干摩擦系數及合金元素含量的關系研究*

戚文正，關 鶴，顧曉宏

(鄭州機械研究所有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著機器工業向高速、重載、輕量化及高可靠性方向發展，硬齒面齒輪得到了廣泛應用。目前，我國大型成套機械設備及其他重要機械裝備幾乎都采用硬齒面齒輪作為主要傳動件。

對于某些齒輪傳動，特別是高速重載齒輪傳動，齒面膠合是一種經常出現的失效形式。由于這種失效形式不易察覺和控制，極具危險性。齒輪的齒面膠合和許多因素有關，如齒面載荷、圓周速度、齒廓形狀、尺寸、齒面粗糙度、齒輪誤差等，特別是齒輪材料及熱處理、潤滑油的性能(粘度、極壓性能等)對其影響較大[1]。國外對齒輪擦傷與膠合的研究起步較早，且已進行了大量的理論分析計算和試驗驗證。多年來，對于齒輪膠合承載能力的計算，國際上一直并存著兩種計算方法，即閃溫法和積分溫度法。

GB/Z6413-2003齒輪膠合承載能力計算方法[2]等同采用了ISO/TR 13989-2000[3]，該標準中列出了FZG試驗方法A/8.3/90的齒輪膠合失效載荷級曲線圖。該圖主要是由原聯邦德國慕尼黑工業大學的尼曼、溫特爾教授，加上德國齒輪行業技術人員的經驗繪制而成[4]。美國早在上世紀60年代就開始了這方面的研究工作，并在AGMA標準中提供了美國齒輪材料的齒面接觸應力極限值和齒輪膠合承載能力的計算方法。

多年來，由于受限于試驗條件的不完善、齒輪試件精度較低、試驗點數遠未達到統計學要求，國內很多單位對齒輪膠合承載能力試驗的研究工作只能作定性的比較。目前在國際上，測定齒輪抗膠合承載能力最常用并得到公認的是FZG齒輪試驗機法(我國相應為CL-100齒輪試驗機法)。FZG試驗機法是原聯邦德國慕尼黑工業大學齒輪與傳動裝置研究所于上世紀50年代發展起來的，它是國際上公認的評定齒輪抗膠合承載能力試驗方法[5]。

考慮到我國目前材料冶金質量、熱處理工藝和加工工藝等實際情況，鄭州機械研究所承擔機械工業科學技術基金項目“硬齒面齒輪疲勞強度極限、損傷特性和壽命預測”的試驗研究工作。本文針對國內常用硬齒面齒輪材料和常用熱處理工藝，提出供齒輪強度計算用的接觸疲勞、彎曲疲勞以及抗膠合承載能力數據。

1 試驗齒輪材料及參數

為了給我國機械行業提供較可靠的硬齒面齒輪膠合強度設計計算的技術數據，本文選用了齒輪行業上應用較廣泛及發展前途較大的6種硬齒面齒輪材料，分別進行了齒輪膠合承載能力試驗及滾子干摩擦系數測試試驗。

6種試驗用齒輪材料的化學成份如表1所示。

表1 試驗用材料的化學成份%(實測值)

試驗用齒輪的參數如表2所示。

表2 膠合試驗用齒輪參數

注：(1)MAAG磨削，齒面十字花紋；(2)除25Cr2MoV氮化后6級外，其余齒輪精度5級；(3)齒面硬度HRC58～62(氮化HV620～750)

2 試驗方法及齒面失效判據

本次齒輪膠合承載能力試驗是在承德試驗機廠生產的CL-100齒輪試驗機(仿FZG齒輪試驗機)上進行的。

根據FZG齒輪試驗機法規定[6]：本次試驗的試驗條件為A/8.3/90，即試驗齒輪為FZG“A”型齒輪，齒輪節圓線速度為8.3 m/s，初始油溫為90±3 ℃。試驗用潤滑油采用N68抗氧防銹工業齒輪油。

參考IP334/84[7]“潤滑劑承載能力測定法-FZG齒輪試驗機法”，齒面膠合損傷判據規定為：在給定的載荷級運轉后，若小齒輪齒面上出現擦傷和膠合損傷，且小齒輪16個齒面的擦傷與膠合相加的總寬度等于或大于一個齒面寬，則該級就作為齒輪膠合失效載荷級。

6種試驗用材料的滾子干摩擦系數測試試驗是在MM-200摩擦磨損試驗機上進行的。

3 試驗結果及分析

為保證試驗結果的重復性精度，每種試驗材料的齒輪膠合失效載荷級均進行5次試驗數據的測試。

6種試驗用齒輪材料的齒輪膠合失效載荷級及其相對應的齒面赫茲應力如表3所示。

表3 膠合失效載荷級及干摩擦系數

為了進一步研究齒輪膠合的過程及影響因素，筆者使用相同的材料和熱處理方法，分別制造出相同表面粗糙度的滾子，并測定它們的干摩擦系數；每種試驗材料均做3次重復性測試，然后取算術平均值作為該種材料的摩擦系數。

3.1 干摩擦系數與失效級齒面赫茲應力關系

根據表3的數據，可得到下列關系：

σH=184μ0-3.4

(1)

式中：σH—膠合時的齒面赫茲應力，N/mm2；μ0—干摩擦系數。

由此可以認為，淬硬材料的干摩擦系數與該種材料制成的硬齒面齒輪的膠合失效級赫茲應力具有如下關系：

σH=Aμ0-β

(2)

式中：A，β—隨不同的潤滑油和輪齒幾何參數及工況的變化而變化的數值。

由式(2)及表3可得干摩擦系數與膠合時齒面赫茲應力的關系，如圖1所示。

圖1 干摩擦系數與膠合時齒面赫茲應力的關系

圖1中，這一關系是按照DIN51354標準規定的試驗條件下求得的，這時嚙合區的油膜厚度很?。挥湍ず穸扰c齒面粗糙度Ra之比λ<0.7，屬于邊界潤滑狀態，這是大多數工業用齒輪運轉時所具有的特點，因此，對大多數工業用齒輪裝置在估計其抗膠合能力時，式(2)均具有一定的意義。

特別需要指出的是，在邊界潤滑條件下，齒面嚙合過程中熱量的產生與干摩擦系數有非常密切的關系(正是因為摩擦才產生熱量)，這與目前常用的按齒面溫度來估算膠合能力在本質上是一致的。

3.2 合金元素的導熱系數

常用于硬齒面齒輪的低碳合金鋼中包含的鎳、鉻和錳等元素，均能大大地降低鋼的導熱系數。

鋼中合金元素含量對導熱系數的影響如圖2所示[8]。

圖2 鋼中合金元素含量對導熱系數的影響

由圖2可見：上述合金元素含量在0～5%范圍內時，對導熱系數的影響最顯著。導熱系數的下降，必然導致接觸表面溫度的上升；同時，圖2的曲線規律與表3所列試驗結果相一致。

例如，由于20Cr2Ni4既含有很高的鎳(3.61%)，也有相當的鉻(1.43%)，這種材料制成的齒輪，其齒面的導熱系數應比其他幾種材料的低，其齒面接觸處的溫度自然也上升得快，從而導致齒輪抗膠合能力的下降。

3.3 齒輪膠合承載能力影響因素

3.3.1 合金元素的影響

齒輪的膠合過程實際上是接觸齒面之間的相互作用過程。從表1及表3的試驗結果可以看出：同是滲碳淬火的合金鋼齒輪膠合失效載荷級卻相差1～2級，而離子氮化齒輪比其他5種試驗的滲碳淬火齒輪膠合失效載荷級都高，因此，可以明顯看出，隨著其中某些元素含量的變化，齒輪膠合失效載荷級呈現明顯的變化趨勢。

由表1及表3還可以得出：當齒輪材料中Ni和Mn含量較高時，特別是Ni含量較高時，齒輪的抗膠合承載能力較低。材料中含Cr、Mo、V等金屬元素都是活性較強的，容易與周圍環境發生作用，形成化合物膜，能提高材料的抗膠合能力；而元素Ni則由于其惰性較大，不容易與周圍環境作用形成化合物膜，因此，不能提高材料的抗膠合能力。

3.3.2 熱處理方法的影響

從表3中還可以看出，相較其他5種滲碳淬火處理的齒輪材料，經離子氮化處理的25Cr2MoV材料有著較高的抗膠合承載能力。這不僅與材料化學成份有關，還與熱處理表面組織有關。金相分析表明，25Cr2MoV材料經離子氮化處理后，在其表面會形成一白亮層，該白亮層的金相組織為γ′-Fe4N加上少量的ε-Fe2-3N。γ′-Fe4N是面心立方結構，ε-Fe2-3N是密排六方結構，其抗剪切強度較低，因此該化合物具有較好的韌性，表層氮化物能抑制兩嚙合齒面在摩擦磨損時的粘附傾向與熱膠合。同時，由于該白亮層具有較好的熱硬性，可以起到良好的抗膠合作用[9]。

4 齒輪抗膠合能力的核算

根據摩擦系數和合金元素含量對膠合承載能力的影響，以及表3試驗結果可以說明：

(1)在邊界潤滑條件下輪齒的膠合問題，不能忽略齒輪材料及表面狀況的影響；(2)FZG膠合試驗方法科學之處就在于它明確規定了必須使用與所研究的齒輪材料及潤滑油完全一致的“材料—油”組合來進行FZG試驗，以測定所研究的齒輪的膠合載荷級，然后才能對所設計齒輪進行膠合能力的核算。

按照我國GB/Z6413.2-2003“圓柱齒輪、錐齒輪和雙曲面齒輪膠合承載能力計算方法”規定，與材料導熱系數有關的是熱閃系數XM，標準中規定，當大、小輪的彈性模量、泊松比、熱接觸系數相同時，XM為：

XM=E0.25/(1-υ2)0.25·BM

(3)

式中：E—彈性模量；υ—泊松比；BM—熱接觸系數。

由于上述標準將馬氏體鋼的導熱系數看作是不變的，可以得出XM也是一個定值(等于50 K·N-0.75、S0.5、m-0.5·mm)。按照這種假設，所有滲碳淬火材料，只要殘余奧氏體含量相同，齒輪的幾何形狀及潤滑油也相同，則核算的抗膠合能力應該完全一樣。但試驗結果證明與實際差別很大。原因在于不同Mn、Ni和Cr等元素的含量，會較大幅度地改變其導熱系數。

因此，應該對不同合金元素含量的鋼材的導熱系數進行測定，以便更準確地對齒輪進行膠合能力的核算，這對于工作在邊界潤滑狀態的齒輪副更為必要。

5 結束語

針對國內常用硬齒面齒輪材料和常用熱處理工藝，本文分別進行了齒輪膠合失效分析，提出了供齒輪強度計算用的接觸疲勞、彎曲疲勞以及抗膠合承載能力數據,所得結論如下：

(1)在邊界潤滑條件下，齒面嚙合過程中熱量的產生與干摩擦系數有著密切的關系(正是因為摩擦過程才產生熱量)，這與目前常用的按齒面溫度來估算膠合能力在本質上是一致的。試驗證明：含鎳低碳合金鋼的鎳含量越大，其干摩擦系數也越大，其齒輪抗膠合能力也越低。因此，可以考慮用干摩擦系數去預測具有相應表面狀況的輪齒的抗膠合能力的可能性；

(2)硬齒面齒輪材料中合金元素含量對材料的導熱系數的影響較大；

(3)硬齒面齒輪的膠合承載能力與其所含化學成份及含量有關，Ni元素對膠合承載能力有明顯的削弱作用，而Mo、V等元素則與之相反；氮化齒輪因其表層組織有控制粘附作用而具有較好的抗膠合能力；

(4)有必要進一步研究邊界潤滑條件下，干摩擦系數及合金元素含量對齒輪抗膠合能力的影響，以便完善其膠合核算方法。